22 февраля 2016г.
Увеличение числа станций режимной гидрологической сети Африки происходил, в основном, после колонизации в 50–60-х годах прошлого столетия, как попытка преодоления экономической отсталости стран. Площадь водосборов рек Юго-Западной Африки к югу от Сахары составляет примерно 1 782229 км2 – на один стоковой пост приходится 15498 тыс. км2 (при числе репрезентативных станций равном 115). Это намного больше, чем рекомендует Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО рекомендует 1 тыс. км2 на один стоковой пост). Получается, что сеть постов надо увеличивать в 15 раз, что нецелесообразно с экономической точки зрения и не подтверждается с точки зрения существующих научно обоснованных критериев оптимальной режимной сети, разработанных в бывшем СССР. Эти критерии учитывают не только физико-географические условия формирования стока, но и точность его учета, что связано с общим экономическим развитием стран. Для стран Юго-Западной Африки важны не общие умозрительные рекомендации ВМО, а конкретные численные оценки оптимальной сети.
Оптимальное число постов для Юго-Западной Африки находилось по методике, разработанной в ГГИ Карасевым И. Ф. [1]. Методика ГГИ позволяет определить такую густоту пунктов наблюдений, которая была бы достаточной для получения надежных, репрезентативных гидрологических характеристик и не требовала бы неоправданных материальных затрат.
В основе этого метода лежат характеристики годового стока, отнесенные к гидрологическим районам, и зависимости, используемые для интерполяции гидрометеорологических элементов. Предложенные Карасевым формулы имеют следующий вид [1]:
Fрепр < Fград ≤ Fопт ≤ Fкор, (1)
Формулы (2), (3) служат для расчета градиентного и корреляционного критериев. В этих формулах: s0 – погрешность определения нормы стока; grad Y – градиент стока; Yср – средняя на участке норма стока; s – относительная случайная ошибка определения стока по гидрометрическим данным равная, в первом приближении, 0,05; а = 1/L0, L0 – радиус корреляции, т. е. расстояние, при котором корреляционная функция r(l) проходит через ноль. Оптимальное число режимных стоковых станций в речном бассейне определяется по формуле (4), где оптимальная площадь, приходящаяся на одну режимную станцию, должна находиться в диапазоне, определяемом неравенством (1).
Существующий критерий репрезентативности Fрепр – первое и обязательное условие для размещения сети. Его соблюдение (Fопт ³ Fрепр) дает возможность получить зональные характеристики стока. Градиентный критерий характеризует надежность информации о пространственных изменениях нормы стока. Он служит для того, чтобы выявить наблюдениями на станциях изменения нормы стока. Верхний предел оптимальной площади водосбора выражает корреляционный критерий. Превышение этого критерия приводит к потере корреляции стока между бассейнами.
Градиентный критерий
Для расчета градиентного критерия требуются осредненные для района характеристики: средняя норма стока и градиент стока. Эти характеристики находились с помощью компьютерного приложения Surfer. Получено, что градиент в Западной Африке гораздо больше, чем в Южной, из-за этого получается завышенное среднее значение для всей территории, что сказалось на определении градиентного критерия (значения представлены в Табл.1).
Корреляционный критерий
Радиус корреляции стока L0 находился путем аппроксимации корреляционных функций рядов стока. Координаты корреляционной функции (Рисунок 1): по оси x – расстояние между центрами водосборов постов, по оси y – коэффициент корреляции между рядами наблюдений за стоком тех же рек. С целью автоматизации расчетов, расстояния от одного центра ко всем другим центрам водосборов вычисляются по географическим координатам с помощью теоремы Пифагора. Чтобы избежать отрицательных значений при аппроксимации корреляционной функции экспоненциальной кривой, данные были усреднены на интервале по DL = 100 км. Таким образом, получена аппроксимирующая экспоненциальная кривая по средним значениям коэффициентов парной корреляции для каждой градации расстояний.
Репрезентативный критерий
Для нахождения репрезентативного критерия
строились графики
зависимости модуля стока от площади водосбора (q = f(F) – редукционная зависимость). На Рисунке
2 можно наблюдать изменения модуля
стока с увеличением площади водосбора. В зоне от 0 до Fрепр модуль стока может
увеличиваться или уменьшаться с ростом площади водосбора реки. Характер
его изменения определяется местными условиями
формирования стока. Значение Fрепр зависит в основном от глубины залегания
подземных вод: чем ближе к поверхности подземные
воды, тем значение
Fрепр будет меньше, поскольку тем скорее река сможет
дренировать все питающие ее водоносные горизонты.
Редукционная зависимость строилась по 141 станциям, расположенным на территории Юго-Западной Африки. Использовались станции,
которые имеют продолжительные ряды без пропусков
и различные площади водосборов, включая
азональные. По данным К. П. Воскресенского, для лесной
зоны азиатской территории бывшего СССР Fрепр » 500 км2, а для степной
– 1500 км2 [2].
Репрезентативная площадь определялась по специально разработанной методике, в основе которой
лежит критерий оценки однородности Стьюдента и/или Фишера.
Соответствующие значения
ряда (площадь водосбора F и модуль стока q) ранжировались по возрастанию площади,
и
значения
q представлялись
как
бы
в «хронологическом»
порядке; таким образом, стало возможным применение
критерия однородности Стьюдента и/или Фишера.
Однородность проверялась на 5 % уровне значимости.
В результате вычисления (определения) репрезентативной площади
получено, что ряды однородны
по Фишеру и по Стьюденту
до N1/N2 » 11/130 и после N1/N2 » 133/09, где N1 и N2 показывают деление ряда с соответствующими продолжительностями. Таким образом, определено, что 650 км2 является репрезентативной площадью для Юго-Западной Африки.
Оптимальное число постов
Получено, что для Юго-Западной Африки градиентный критерий меньше корреляционного критерия и оба меньше репрезентативного критерия, значит,
оптимальная площадь назначается из условия, что репрезентативный критерий
должен быть меньше оптимальной площади: Fопт = 650 км2. Оптимальное число постов для Юго-Западной Африки равняется
346, из них 288
постов должно приходиться на Западную Африку, а 58 – постов
на Южную Африку.
Список литературы
1.
Карасев И.Ф. О принципах размещения и перспективах развития гидрологической сети // Труды ГГИ.– 1968.– Вып. 164.– С. 3 – 36.
2.
Пространственно-временные колебания
стока рек СССР
/
Под.
ред. А. В. Рождественского. – Л.: Гидрометеоиздат,
1988. – 376 с.
